中俄东线直径1422mmX80钢级冷弯管设计参数的确定

为了满足中俄东线工程建设的实际需求,需要开展直径1 422 mm、X80钢级管道冷弯管设计参数的相关研究。采用AS 2885.1-2012《管道-天然气和石油管道第1部分:设计和建造》中的公式计算得出冷弯管的最大弯曲角度为6.48°;再通过冷弯管弯制过程中的应力应变有限元模拟分析,得到当弯曲角度为6~8°时,管道处于弹塑性区,满足变形要求。经过实验室及中俄东线试验段的现场验证,弯制的6.4°冷弯管回弹量及变形量均匀稳定,椭圆度、壁厚及内弧波浪度等指标均控制良好,能够满足工程要求。经过相关计算、分析及验证,最终确定中俄东线直径1 422 mm、X80钢级冷弯管的最大弯曲角度为6°,曲率半径不小于50倍钢管外径(71 100 mm)。该结果可为中俄东线天然气管道工程建设提供指导。     

中俄东线天然气管道运行保障关键技术

在中俄东线天然气管道投产后的运行阶段,因其高钢级、大口径、高压力、大输量的特点,且沿线途经高寒冻土区,故管道运行的不确定性因素多、风险高、维护与安全保障难度大。系统分析了中俄东线天然气管道在运行工艺方面面临的管网优化运行、冬季调峰、冰堵防治及放空回收等问题;在完整性管理方面面临的大口径管道内检测、高钢级管道安全状态评估等问题;在线路风险防控方面面临的天然气管道泄漏与安全状态监测、腐蚀、冻涨融沉防治等问题;在维抢修方面面临的管径1 422 mm管道的切割、退磁、修复等系列技术难题。归纳总结了国内外相关技术现状,提出解决问题的技术思路,总结了中俄东线天然气管道工程目前已取得的部分技术成果,以期为未来油气管道的建设与运营提供参考。(参52)     

中俄东线OD 1422 mm埋地管道的断裂控制设计

中俄东线天然气管道是中国首条大口径OD 1 422 mm输气管道,途经东北严寒地区,钢级为X80、设计压力为12 MPa,其断裂控制设计是难点。结合断裂失效模式,明确了该工程断裂失效的控制原则。根据中俄东线管输天然气组份、管道壁厚、流变应力、运行温度及管沟回填等参数,采用断裂力学理论及相关模型计算了钢管焊缝和热影响区的起裂韧性、钢管管体止裂韧性以及环焊缝的起裂韧性,制定了中俄管道的钢管和环焊缝韧性指标。对比工程推荐采用的指标,该断裂韧性推荐指标在符合计算需求量的基础上,均有一定的裕量,能够满足管道的断裂控制要求。同时为了确保管道吊装下沟时环焊缝安全,对管道的韧脆转变温度和下沟温度下限值提出了建议。     

外径1422 mm X80管道低温整体式绝缘接头设计与制造关键技术

为了满足能源战略的需要,在中俄东线天然气管道工程中采用大口径(外径1 422 mm)、高压力(12 MPa)、高钢级(X80)管道进行超大输量天然气输送。随着管径、输送压力、钢级、设计系数的不断提高及环境温度的降低,管道整体式绝缘接头的设计制造难点成为研究重点。为此,通过对外径1 422 mm X80管道整体式绝缘接头的研制、高寒地区整体式绝缘接头关键技术的研究及大型水压+弯矩试验装置建造等技术创新,填补了国内空白,形成了外径1 422 mm X80管道低温整体式绝缘接头设计与制造成套技术与装备,对中俄东线天然气管道工程建设具有重要意义。(图5,表3,参20)     

中俄东线天然气管道弯曲变形识别与评价

管道在外部载荷的作用下会发生局部位移及弯曲变形,当与管体腐蚀、制造或焊缝等缺陷叠加时,在应力集中点将引起管体失效,严重威胁人员安全、造成环境污染及经济损失。基于惯性测绘的内检测技术是一种准确识别管道弯曲变形及检测弯曲应变的有效方法,在对管道全线实施检测的同时以弯曲应变的形式反映管道在外部载荷作用下的弯曲状态。中俄东线天然气管道境内段途经沼泽、高寒冻融等地质不稳定区域,洪水、地震等自然灾害引起土体移动也会对管体施加外部载荷,在外力作用下管体发生弯曲的可能性较大,易因局部应力集中形成高风险点,通过分析管道弯曲应变数据,结合几何/漏磁内检测发现的管体缺陷,可以更加精确地识别定位对管道安全运行构成潜在威胁的高风险点,有针对性地制定监测、修复计划,为中俄东线天然气管道的安全运行提供有效保障。(图7,参21)     

现行设计系数对中俄东线OD 1422mm管道的适用性

中俄东线天然气管道工程是大口径(OD 1 422 mm)、高压力输气管道,涉及新工艺、新管材的应用,按照目前我国管道设计标准规定的设计系数确定的管道壁厚能否保证管道安全运行,是其设计过程中的技术难题之一。利用我国天然气管道可靠性设计与评价技术研究成果,结合中俄东线OD 1 422 mm管道途经地区等级、管材性能、建设及运行维护参数,依据现行设计系数计算得到中俄东线天然气管道工程的3种管道壁厚分别为21.4 mm、25.7 mm、30.8 mm。基于可靠性方法对管道失效概率进行计算分析,得到极端极限状态下管道失效概率分别为1.27×10~(-7)次/(km·a)、3.66×10~(-10)次/(km·a)、3.53×10~(-15)次/(km·a),均满足中俄东线天然气管道目标可靠度要求,表明按现有设计系数计算得到的管道壁厚对OD 1 422 mm管道设计是适用的,能够保障管道建成后安全平稳运行。     

中俄东线天然气管道焊接消磁技术试验

长输管道在建设、改线或维抢修作业时,常会遇到管道对口处有磁偏吹现象,使得在焊接施工时,电弧发生偏离,导致焊接缺陷甚至无法焊接施工,严重影响了工程进度及管道的本质安全。中俄东线天然气管道工程采用1422 mm口径、X80钢级管道,以往所采用的消磁方法和消磁设备已无法满足其大口径、高钢级管道的消磁作业。通过分析管道剩磁的产生机理和影响因素,得到不同消磁方法对中俄东线管道的适用性。通过现场试验验证直流消磁法,分析直流消磁和直流焊机消磁的优缺点及工作参数,提出可行性建议。     

大口径管道投产前聚氨酯测径内检测器研制与应用

针对传统内检测器的技术缺陷及中俄东线天然气管道工程的实际需求,研制了一种适用于大口径管道投产前测径的新型高密度聚氨酯内检测器。安装在高密度聚氨酯泡沫主体的智能测径装置不但能够发现管道内径变化、记录变形位置,而且能够准确识别管道环焊缝数量,结合管道施工记录对环焊缝信息进行验证。论述了该检测器的工作原理、结构组成及电子系统的设计与实现,将其应用于中俄东线天然气管道工程的现场检测,结果表明:与传统皮碗式钢骨架智能测径器相比,该检测器所需运行推力更小,可支持的运行速度更高,结构更加鲁棒,维护简单,在保证检测精度与检出率的同时,可大幅降低使用成本,对于大口径管道几何变形检测具有重要的工程意义。(图7,参28)     

中俄东线天然气管道工程DR设备校验方法

为了有效控制管道环焊缝的焊接质量,并满足智慧管道的建设需要,在中俄东线天然气管道工程中采用X射线数字成像(Digital Radiography,DR)检测设备进行环焊缝焊接质量的检测。管道DR设备主要由带X射线机的爬行器、探测器、计算机、检查软件、检测工装等组成,其可靠性直接关系到管道环焊缝的检测质量。目前国内外仅针对DR设备各个组成部分提出了相应的技术指标,尚无针对整套设备系统的校验方法及校验标准,故研究制定了中俄东线DR设备校验程序,主要校验内容除相关标准规定的探测器坏像素、基本空间分辨率、最小许可灰度幅值、对比度灵敏度外,还增加了DR设备成像均匀度、缺陷检出率及可靠性测试,为中俄东线天然气管道工程高质量建设提供了技术保障。     

管径1422mm的X80焊管断裂韧性指标北大核心

基于高压力、大口径、高钢级的中俄东线天然气管道断裂控制技术需求,研究了管径1 422 mm的X80焊管断裂韧性指标。为了防止焊管启裂,采用失效评估图技术,通过断裂力学分析,得出X80焊管的焊缝及热影响区夏比冲击功最小平均值为80 J;为了满足管道止裂要求,基于Battelle双曲线方法,并引入1.46倍系数修正,确定焊管母材的夏比冲击功最小平均值为245 J。通过对试制的管径1 422 mm的X80焊管进行冲击韧性测试和统计分析,结果表明其韧性水平整体较高,可以满足中俄东线天然气管道断裂韧性指标要求。     

管径1422mm的X80焊管断裂韧性指标

基于高压力、大口径、高钢级的中俄东线天然气管道断裂控制技术需求,研究了管径1 422 mm的X80焊管断裂韧性指标。为了防止焊管启裂,采用失效评估图技术,通过断裂力学分析,得出X80焊管的焊缝及热影响区夏比冲击功最小平均值为80 J;为了满足管道止裂要求,基于Battelle双曲线方法,并引入1.46倍系数修正,确定焊管母材的夏比冲击功最小平均值为245 J。通过对试制的管径1 422 mm的X80焊管进行冲击韧性测试和统计分析,结果表明其韧性水平整体较高,可以满足中俄东线天然气管道断裂韧性指标要求。     

中俄东线天然气管道动态退磁实验

油气长输管道施工、检测过程中的剩磁会引发焊接电弧的磁偏吹,可能影响管道焊接作业的施工进度和质量,进而威胁管道本质安全.中俄东线天然气管道工程由于采用大口径、高钢级管道,具有较高的管道剩磁水平,对现有退磁技术与退磁设备的能力提出了更大的挑战.为此,引入永磁铁退磁技术,开展基于响应面法设计的中俄东线天然气管道动态退磁实验,...     

保障中俄东线天然气管道长期安全运行的若干技术思考

针对中俄东线天然气管道的实际服役状况,分析了土壤运动(冻胀与解冻沉降)对管道结构完整性的影响以及基于管体结构-土壤弹簧模型在确定管-土交互作用方面的局限性,即非线性、大应变与多轴加载评估的保守性、土壤本构模拟与真实状况的偏离,建议发展新型多模块耦合集成技术确定土壤运动产生的机械效应。明确了X80高强管线钢在服役条件下发生应变时效及其导致管线钢(尤其是焊缝区)材料韧性和止裂能力的降低,建议使用时效活化能与等效时效时间模拟、评估管线钢在漫长服役过程中发生应变时效的敏感性,并建立相应的理论基础。此外,详细分析3种常见的管道缺陷(机械损伤、腐蚀缺陷、裂纹)对管道完整性影响的评估技术现状。针对高压、大口径、高强钢天然气管道(特别是焊接金属与热影响区)在地质不稳定地区的材料韧性、裂纹扩展以及止裂能力开展实验与评价技术,建立精确的多物理场协同作用下的管道缺陷评估模型,是当前的国际性技术难题,这些问题的解决将有力保障中俄东线天然气管道以及相关油气管道的长期安全运行。     

高钢级管道残余应力超声波法检测及小孔法验证

随着中国油气管网的逐渐形成,管道安全评估日益重要。基于此,对声弹性原理、超声法应力测量技术概况进行了简要回顾,并针对高钢级油气输送管道安全服役评价的需求,开发超声波法无损残余应力测量系统。同时,提出了近零校准应力试块技术:通过将零应力试块退火后线切割,进一步释放应力,可进行更加精准的零应力标定。并根据检测实际需要设计了弧面探头。利用上述系统开展X80管道的残余应力无损测量研究,并采用小孔法对其结果进行验证,证明其测试精度可靠、重复性好。研究结果可为油气管道应力在线测量提供技术手段,为管道运行、修复、评估提供一种有效的技术支持。     

掺氢天然气管道典型管线钢氢脆行为

目前，在氢能储运技术中，利用现有天然气管网以掺氢天然气的形式输送氢气最为经济，掺氢天然气输送技术受到国内外研究机构的广泛关注。然而，管线钢在输氢过程中因氢与基体接触，可能发生氢脆现象，导致其力学性能发生劣化，威胁管道的安全运行。以天然气管道典型用钢X52、X80钢为研究对象，通过高压气相氢环境下的原位拉伸实验和断口形貌分析研究其在实际掺氢工况下的力学性能变化规律，分析氢分压对材料屈服强度、抗拉强度、断面收缩率及氢脆指数的影响。结果表明：掺氢天然气随氢分压增大，X52、X80钢的塑性逐渐下降，氢脆程度加剧；与X80钢相比，X52钢更适用于掺氢天然气输送。研究成果可为未来掺氢天然气管道的设计选材与安全运行提供参考。（图14，表1，参63）     

中俄东线天然气管道贸易交接点仿真软件研发

为了满足中国和俄罗斯双方对中俄东线天然气管道工程管输天然气的贸易需求,有效模拟管道过境段贸易交接点的管道特性参数及其变化趋势,实现日平均交接点压力及日最低交接点压力的计算与判定功能,根据两国协议拟定的水力、热力计算基本公式及气体状态方程,建立数学模型,利用牛顿迭代法对管道粗糙度及环境换热系数进行自适应校正,中国研发了具有自主知识产权的交接点压力与温度仿真计算软件。将软件仿真结果与俄罗斯软件仿真结果进行对比,结果表明:软件计算精度满足中俄东线天然气管道工程相关协议要求,证明了软件计算结果的可靠性,因而实现了中俄东线天然气管道工程贸易交接点工艺参数的仿真计算,可对中俄东线的天然气贸易交接进行监督与管控。(图3,表1,参21)     

基于改进风险矩阵法的中俄东线高后果区风险评估

中俄东线天然气管道工程(黑河—长岭段)干线(简称中俄东线)是中国首条直径1 422 mm、X80M的大口径、高钢级输气管道,其沿线高后果区数量多、情况复杂且缺少可借鉴的工程数据。为了准确评价中俄东线风险,提出了一种改进的风险矩阵法,其采用定量分析方法确定了黑河—长岭段干线18个高后果区的失效可能性和失效后果等级,进而结合风险矩阵明确了中俄东线既定路由高后果区的风险等级为Ⅰ～Ⅱ级,风险水平可以接受,论证了目前管道路由的合理性。     

中俄东线天然气管道投产初期水合物预测及防治模拟

中俄东线天然气管道管径大、压力高、北段处于寒区,投产运行初期高压、低温条件使管道存在水合物生成风险。基于多相流理论和CSMHyK水合物生成动力学模型,针对该管道投产第一年冬季运行工况下水合物的生成区域、生成量,水合物在管道中的堆积程度以及水合物的防治方法开展研究。结果表明:当管输天然气含水量大于150 mg/kg时,管道存在水合物生成风险;管道中生成的水合物主要聚集在低洼管段下游,管段高差越大,水合物聚集量越多,且管道中水合物的堆积程度不仅与低洼管段上升段的高差有关,还与下坡段管道的高差及坡度有关;当选择乙二醇作为水合物抑制剂且其注入质量分数达到50%时,可以有效防止中俄东线天然气管道生成水合物。(图6,表4,参22)     

中俄东线站场工艺管道用高钢级低温钢管韧性指标

中俄东线天然气管道是中国首条OD 1 422 mm大口径输气管道,途经东北严寒地区。基于此,对比分析国内外标准规范,明确了天然气管道站场工艺管道断裂控制设计原则、最低设计温度选定要求,包括:(1)站内工艺管道断裂控制,关键是要防止管道发生起裂,钢管应具有足够的断裂韧性。对于起裂后的断裂扩展控制和落锤撕裂试验(Drop Weight Tear Test,DWTT)指标,应视工程具体情况并结合国内低温钢管的生产水平综合确定。(2)最低设计温度应考虑正常运行操作、放空、节流以及停输保压等工况下金属壁温可能达到的最低温度,针对站场工艺管道用X70、X80钢管确定管道的最低设计温度等于最低环境温度。(3)针对油气输送管道站场地上工艺管道,建议最低环境温度取最低日平均温度。结合理论计算和钢管实物性能参数,提出了中俄管道站场工艺管道用X70、X80钢管的低温韧性指标,对今后类似工程有一定的借鉴意义。     

中俄东线智能化工艺运行基础与实现的思考

随着数字化、智能化等技术的发展,油气管道运行管理模式将发生根本性转变,形成以智能管道、智慧管网为核心的发展理念。从管道运行工艺角度对中国智能管道建设的基础及实现条件进行了分析:①从智能管道的定义、国内外智能管道的发展现状以及油气管道智能运行的物联网基础与技术准备3个方面论述了智能管道建设的基础及所需实现的功能,指出智能管道在油气生产过程中的应用性是智能管道建设的核心问题;②探讨了天然气管网数据、建模及计算复杂性的根源,明确了智能管道、智慧管网的建设思路;③以中俄东线天然气管道为例,阐述了中俄东线智能运行的目标、基础以及工艺运行智能化组成的设想,其中工艺运行智能化组成包括管道工艺仿真系统建设、基于管道数据的数字孪生体构建以及综合运行调度和可靠性评价。最后,针对智能管道技术发展与应用面临的形势与挑战,给出几点认识及建议。